程帥，奚望

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

含電子元件的安全電路是電梯電氣安全裝置中的重要組成部分，其是保護(hù)電梯乘客和設(shè)備的關(guān)鍵部分，當(dāng)電梯發(fā)生故障或特定狀態(tài)引發(fā)危險(xiǎn)情況時(shí)，電梯裝置內(nèi)的特定電氣安全機(jī)制將被觸發(fā)，切斷驅(qū)動(dòng)主機(jī)和制動(dòng)器的電源供應(yīng)，以阻止電梯主機(jī)啟動(dòng)，從而保護(hù)電路和乘客安全。這種高度可靠的性能是電梯系統(tǒng)不可或缺的一部分，對(duì)整個(gè)電子行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義?！兑?guī)范》明確規(guī)定所有含有電子元件的安全電路必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)，為此，本文根據(jù)此規(guī)定進(jìn)行了相關(guān)的嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)驗(yàn)樣品的各方面性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)和結(jié)論，這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證了樣品的安全可靠。以期通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為電子行業(yè)的發(fā)展提供寶貴的參考，同時(shí)不斷提高電子元件的性能和可靠性，建立更安全、更高效的電梯系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 儀器設(shè)備

含電子元件的安全電路試驗(yàn)所需的儀器有：示波器、信號(hào)發(fā)生器、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、振動(dòng)波形控制器、恒溫試驗(yàn)箱、信號(hào)監(jiān)控柜、電源供應(yīng)、計(jì)算機(jī)。示波器用于監(jiān)測(cè)和分析電子元件的電信號(hào)，包括電壓和電流波形。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)，用于輸入到電路中，以模擬各種工作條件和信號(hào)源。振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供振動(dòng)環(huán)境，能夠產(chǎn)生不同頻率和幅值的振動(dòng)，模擬樣品在不同振動(dòng)條件下的性能變化。振動(dòng)波形控制器產(chǎn)生測(cè)試所需的振動(dòng)、沖擊、碰撞的波形型號(hào)。恒溫試驗(yàn)箱提供測(cè)試所需的溫度環(huán)境，用于模擬試驗(yàn)樣品的不同溫度下的環(huán)境條件。信號(hào)監(jiān)控柜提供維護(hù)樣品正常工作的電源、信號(hào)，驗(yàn)證樣品輸出信號(hào)的正確性、可靠性。電源供應(yīng)提供所需的電能，以確保電子元件在測(cè)試期間得到穩(wěn)定的電源，特別是在不同電壓和電流條件下。計(jì)算機(jī)用于檢測(cè)、記錄、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 性能評(píng)估測(cè)試

1.2.1 掃頻循環(huán)振動(dòng)測(cè)試

掃頻振動(dòng)循環(huán)是指在特定頻率范圍內(nèi)來(lái)回進(jìn)行振動(dòng)，完成一次頻率掃描的過(guò)程。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，在此期間，電路板需處于工作狀態(tài)，將樣品在三個(gè)相互垂直的軸線(xiàn)上（X、Y、Z 軸）依次經(jīng)受振動(dòng)。在每個(gè)坐標(biāo)軸方向上，進(jìn)行20 次掃頻循環(huán)振動(dòng)測(cè)試。在測(cè)試中，將振動(dòng)幅值設(shè)置為0.35mm，頻率范圍設(shè)定在15Hz~50Hz 之間，觀察樣品在不同頻率下的振動(dòng)響應(yīng)情況[1]。振動(dòng)波形為正弦波，正弦波的數(shù)字方程式如式(1)和式(2)所示：

式(1)中，Xm為位移振幅，ω為角頻率，f代表頻率，t為時(shí)間，對(duì)式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，得到振動(dòng)速度mV，如式(3)所示：

通過(guò)式(3)得到mV，如式(4)所示：

再將振動(dòng)函數(shù)求導(dǎo)，得到振動(dòng)加速度a，如式(5)所示：

由式(5)進(jìn)一步得到加速度am，如式(6)所示:

所以，位移交越點(diǎn)頻率與加速度的計(jì)算公式，如式(7)所示：

由式(7)得出電子元件安全電路型式試驗(yàn)的交越頻率為f=60Hz，低于《規(guī)范》規(guī)定的交越頻率，不宜采用。因此，采用0.35mm 的定位移振幅進(jìn)行測(cè)驗(yàn)[2]。測(cè)驗(yàn)時(shí)，將振動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)，使電路板在選定的振動(dòng)參數(shù)下開(kāi)始循環(huán)振動(dòng)。進(jìn)行20 次掃頻循環(huán)振動(dòng)測(cè)試，每次循環(huán)的時(shí)間為5min，則整個(gè)掃頻振動(dòng)測(cè)驗(yàn)需要用時(shí)大約5h。使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄軟件，記錄每次循環(huán)中的振動(dòng)幅值、頻率等數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)軸向，記錄電路板的響應(yīng)情況，特別關(guān)注可能出現(xiàn)的異常或不穩(wěn)定現(xiàn)象。將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)分析軟件，繪制頻率與振動(dòng)幅值之間的關(guān)系圖。從圖中分析出電路板的共振頻率，以及在不同頻率下的振動(dòng)特性。

1.2.2 沖擊測(cè)試

沖擊測(cè)試通過(guò)給予樣品瞬時(shí)的沖擊載荷，檢驗(yàn)其在受到此種突然影響后，安全性能方面是否會(huì)出現(xiàn)變化。進(jìn)行沖擊測(cè)驗(yàn)時(shí)，將沖擊波形設(shè)置為半正弦波，波形如圖1 所示。

圖1 半正弦波

其數(shù)字表達(dá)式如式(8)所示：

其中A=30gn，為峰值加速度；D=15ms，為持續(xù)時(shí)間，沖擊脈沖標(biāo)稱(chēng)的速度變化量設(shè)定為2.1m/s[3]。沖擊測(cè)試過(guò)程中，首先，激活碰撞測(cè)試機(jī)，并將樣品放置于碰撞測(cè)試機(jī)上。其次，使其按照預(yù)設(shè)的半正弦波形對(duì)樣品3 個(gè)坐標(biāo)軸的6 個(gè)方向進(jìn)行沖擊，每個(gè)方向沖擊3 次，每次沖擊之間留有1min 的間隔，以允許樣品恢復(fù)至初始狀態(tài)。最后，使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄軟件記錄每次沖擊的加速度、峰值等數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)方向的沖擊，分析樣品的響應(yīng)，檢查是否有安全性能改變或損壞現(xiàn)象。

1.2.3 碰撞測(cè)試

碰撞測(cè)試是模擬樣品在實(shí)際環(huán)境中可能經(jīng)歷的重復(fù)碰撞情況。測(cè)試時(shí)，將沖擊波形設(shè)為半正弦波，實(shí)際沖擊脈沖的速度變化量在標(biāo)稱(chēng)脈沖速度變化量的±20%之內(nèi)，其表達(dá)式同式(8)，其中，D=15ms，A=10gn，速度變化量為1.0m/s。碰撞測(cè)試的具體操作步驟如下，首先，將碰撞測(cè)試機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，將待測(cè)樣品放置在碰撞機(jī)的測(cè)試位置上[4]。其次，激活碰撞測(cè)試機(jī)，選擇樣品的3 個(gè)互相垂直的x、y、z 坐標(biāo)軸方向，按照預(yù)設(shè)的半正弦波形對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)碰撞。在每個(gè)坐標(biāo)軸方向上，施加1000±10 次碰撞，沖擊頻率為2 次/s。最后，匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析樣品在持續(xù)碰撞條件下的表現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，判斷樣品在沖擊情況下的耐受性能是否滿(mǎn)足要求。

1.2.4 溫度測(cè)試

溫度測(cè)試是用來(lái)檢測(cè)樣品在高低溫極速變化的環(huán)境條件下的適用性[5]。測(cè)試步驟如下，首先，將印刷電路板設(shè)置為額定電壓，確保電路處于正常工作狀態(tài)，將溫度試驗(yàn)箱進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)冷，確保溫度穩(wěn)定，再將樣品放入溫度試驗(yàn)箱進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，確保它在箱內(nèi)位置固定。其次，將溫度分別調(diào)為0℃、15℃、30℃、45℃、60℃、65℃，以模擬低溫和高溫環(huán)境，每個(gè)溫度點(diǎn)應(yīng)保持穩(wěn)定，并進(jìn)行持續(xù)4h 的持續(xù)測(cè)試。最后，使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄軟件記錄測(cè)試過(guò)程中的溫度變化。匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析樣品在不同溫度條件下的表現(xiàn)。根據(jù)分析的數(shù)據(jù)，生成測(cè)試結(jié)果報(bào)告，包括樣品在不同溫度下的性能評(píng)估。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同振頻下的穩(wěn)定性

在振動(dòng)測(cè)試中，振動(dòng)的穩(wěn)定性和頻率、加速度、速度以及峰值位移有關(guān)，使用振動(dòng)測(cè)試臺(tái)和計(jì)算機(jī)分析軟件得到以下數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可知，隨著頻率的增加，加速度也在增加。表明樣品在受到不同頻率的振動(dòng)力下是不斷變化的，在不同頻率下，樣品的穩(wěn)定性表現(xiàn)出如下趨勢(shì)。在較低頻率（10.0Hz）時(shí)，速度和位移值相對(duì)較小，隨著頻率增加，速度和位移值也隨之增加[6]。表明在較高頻率下，樣品經(jīng)歷了更大的速度和位移變化，對(duì)樣品的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。中斷上限、報(bào)警上限、報(bào)警下限和中斷下限列，代表了不同振動(dòng)頻率下的聲壓級(jí)的變化范圍。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，中斷上限、報(bào)警上限、報(bào)警下限和中斷下限的聲壓級(jí)變化幅度較小，保持在10~55Hz 頻率的范圍內(nèi)，表明樣品在不同頻率下的聲壓級(jí)變化相對(duì)較穩(wěn)定。綜上分析可得，樣品在不同頻率的振幅下加速度、速度、峰值位移均符合《規(guī)范》要求，樣品穩(wěn)定性良好。

2.2 受到瞬間沖擊后的安全性能

沖擊波的脈沖數(shù)、峰值速度、脈寬以及速度變化值等參數(shù)對(duì)于評(píng)估電子元器件受到?jīng)_擊后的安全性能至關(guān)重要，由沖擊測(cè)試數(shù)據(jù)得到下表，如表2 所示。

表2 沖擊波數(shù)據(jù)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)樣品受到3 次半正弦波沖擊時(shí)，設(shè)定峰值為294.00m/s，實(shí)際峰值為294.50m/s，者變化不大，為1.5m/s。設(shè)定脈寬為11ms，實(shí)際脈寬為10.64ms，二者變化不大，相差0.36ms，在實(shí)驗(yàn)允許誤差內(nèi)，表明實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性和有效性。實(shí)際速度變化值和標(biāo)準(zhǔn)速度變化值吻合，表明樣品在收到?jīng)_擊時(shí)下降的加速度符合《規(guī)范》規(guī)定的加速度，樣品在此沖擊條件下的的響應(yīng)是可控和可預(yù)測(cè)的樣品，并且能夠經(jīng)受住這種沖擊并保持其功能和結(jié)構(gòu)完整性。

2.3 遭受碰撞時(shí)的抗沖擊性

使用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算得到樣品受到?jīng)_擊時(shí)的位移仿真曲線(xiàn)圖，如圖2 所示。

圖2 碰撞位移仿真曲線(xiàn)圖

如圖2 所示，碰撞機(jī)啟動(dòng)階段，由于慣性力的影響，導(dǎo)致樣品出現(xiàn)振動(dòng)偏離中心位置的情況[7]。然而，當(dāng)進(jìn)入勻速運(yùn)行段時(shí)，振動(dòng)逐漸回到中心位置，隨著時(shí)間（t）的推移，線(xiàn)條密集度增加，表明振動(dòng)頻率逐漸升高。在碰撞機(jī)的變加速運(yùn)行階段，運(yùn)行加速度逐漸增大，樣品振動(dòng)幅度隨之逐步增大。在勻速運(yùn)行段，振動(dòng)幅度減小，隨著運(yùn)行距離的增加，振動(dòng)頻率逐漸增大。在樣品穩(wěn)定運(yùn)行階段，振動(dòng)幅度維持在較小的范圍內(nèi)。需注意，在制動(dòng)過(guò)程中，由于受到慣性沖擊，樣品出現(xiàn)了振動(dòng)幅度的峰值。根據(jù)計(jì)算公式(6)得出，振動(dòng)加速度的最大值為16mm/s2，而在制動(dòng)運(yùn)行階段，最大振動(dòng)加速度為15mm/s2。數(shù)據(jù)結(jié)果與《規(guī)范》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)相符，即樣品的振動(dòng)加速度應(yīng)該保持在小于25mm/s2的范圍內(nèi)。這表明所測(cè)試的電子元件的安全電路在各種運(yùn)行情況下都能保持穩(wěn)定且安全的性能，為電梯的運(yùn)行和乘客的安全提供了可靠的保障。

2.4 高低溫環(huán)境下的適用性

由溫度傳感器測(cè)量測(cè)驗(yàn)時(shí)恒溫箱內(nèi)樣品溫度變化，如表3 所示。

表3 溫度記錄表

由表3 可知，在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，溫度傳感器的輸出溫度為24.0°C。隨著時(shí)間的推移，逐漸增加溫度，且每個(gè)溫度維持40min 左右，在第一個(gè)溫度段，溫度傳感器的輸出溫度逐漸上升，從初始的24.0°C 上升到25.5°C，說(shuō)明樣品開(kāi)始工作[8]。隨著時(shí)間的推移，溫度上下波動(dòng)，表明樣品在高低、溫下未受損，仍能正常運(yùn)行。但溫度變化不大，均在25℃上下波動(dòng)，最大波動(dòng)值在1.8℃，符合《規(guī)范》的規(guī)定，說(shuō)明樣品耐高低溫變化能力良好，具有一定的高低溫適用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

為完成《規(guī)范》對(duì)含有電子元件安全電路所要求的振動(dòng)測(cè)試、沖擊測(cè)試、碰撞測(cè)試和溫度測(cè)試，本文開(kāi)展了基于PCI 總線(xiàn)的電子元件安全電路試驗(yàn)研究。具體來(lái)講，振動(dòng)測(cè)試以模擬電子元件在不同振頻下的運(yùn)行情況，沖擊測(cè)試評(píng)估電子元件在受到?jīng)_擊時(shí)的穩(wěn)定性，碰撞測(cè)試研究電子元件在碰撞場(chǎng)景下的響應(yīng)能力，溫度測(cè)試考察電子元件在極端溫度條件下的表現(xiàn)，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，希望通過(guò)寶貴的數(shù)據(jù)，能為將來(lái)的電子行業(yè)的發(fā)展提供有力的支持。